调整 USB Type-C 和无线充电应用中的 VOUT第二部分：调制电压编程

1.前言

之前一篇文章讨论的那样，使用开关电阻器控制USB Type-C 电力传输 (PD) 和无线充电应用的输出电压 (V OUT ) 。这篇文章将介绍另一种需要较少组件和信号线的不同方法，称为调制电压编程。

2.调制电压编程

我们可能还记得第一部分 中的开关电阻器需要三个开关电阻器支路和三个控制信号来产生 USB Type-C PD 应用所需的四个电压。每个开关电阻支路还需要一个电阻-电容 (RC) 延迟来控制开关速度，以防止误触发四开关升降压控制器的过压保护 (OVP) 功能。实际的硬件需要许多额外的组件，而且该解决方案可能看起来很麻烦，并且可能不容易适应紧凑的设计。在这种情况下，我们可能需要采用不同的方法来减少组件的数量。

图 1 显示了一个示例，其中调制电压源 (V C ) 改变了反馈 (FB) 引脚电压。因此，公式 1 确定了 V OUT：

其中 V REF是控制器误差放大器参考电压。减少或增加 V C将分别向上或向下调整 V OUT。

微处理器控制 V C电平有两种方法。第一种是使用集成的数模转换器（DAC），第二种是直接使用微处理器产生的脉宽调制（PWM）信号。

图 1 ：使用调制电压源调整 V OUT

3.通过 DAC 控制电压

USB Type-C PD 和无线充电器系统通常有一个带有内部 DAC 的微处理器。如果它没有内部 DAC，则可以使用外部 DAC，例如 TI 的DAC43401或者DAC53401。如图 2 所示，DAC 可以通过对微处理器进行编程以遵循公式 1来产生所需的 V C以调整 V OUT。

如果 V C的压摆率太快，则错误的 V OUT OVP 可能是一个问题。因此，在使用微处理器控制 V C 时，请确保 V C转换时间长于升降压 DC/DC 级回路响应时间，但不超过适用的 USB Type-C 规范。

图2 ：使用 DAC 控制 V C

4.通过 PWM 信号控制电压

第二种方法是使用微处理器的通用输入/输出端口 (GPIO) 来产生 PWM 信号。该 PWM 信号可以被 RC 滤波器滤除以产生直流电压，然后再馈入 FB 引脚，如图 3 所示。改变 PWM 占空比可以动态调整 V OUT。

图 3 ：通过 PWM 信号调整 V OUT

然而，PWM 滤波器会引入纹波电压。如果 RC 滤波器的低通转角频率远低于 PWM 信号的频率，则 R 3和 FB 引脚都将看到几乎纯直流电压。因此，PWM 不会在 V OUT轨上引起明显的纹波。我建议选择 R 4和 C 1，以便将 RC 滤波器的转角频率设置为至少比 PWM 信号频率低 20 倍，这样 FB 引脚的纹波电压可以衰减至少 40 dB。因此，R 4和C 1的选择应满足等式2：

其中 f PWM是 PWM 信号的频率。

假设 PWM 信号的占空比为 D，谷电压为 0 V，峰值电压为 V PWM，则 V OUT将满足公式 3：

5.使用两级 RC 滤波器避免过度延迟

如上所述，RC 滤波器需要将 PWM 衰减至少 40 dB。如果 PWM 信号频率受到限制，例如 200 kHz，则 RC 滤波器的转角频率必须设置为 2 kHz，这意味着 RC 滤波器时间常数约为 80 ms。由于 RC 滤波器的稳定时间是时间常数的四倍，因此对阶跃占空比变化的响应将需要超过 320 ms 的时间来稳定，远长于 USB Type-C PD 规范的电压转换时间。一种解决方案是使用两级 RC 滤波器，如图 4 所示。

图 4：用于减少延迟时间的两级 RC 滤波器

两级 RC 滤波器提供每十倍频程 40 dB 的衰减。在同一示例中，当 PWM 信号为 200 kHz 时，滤波器的转角频率可以提高到 20 kHz，从而将滤波器的时间常数减少到仅 8 ms。对占空比阶跃变化的响应将在 32 ms 内稳定下来，这足以满足 USB PD 应用。通常，根据公式 4 选择 RC 滤波器：

现在，V OUT和 PWM 占空比 (D) 满足公式 5：

请注意，当 D 减小时，V OUT将增加。根据公式 5 对微处理器进行编程将产生一个具有正确占空比的 PWM 信号，以将四开关降压-升压输出调节到适合 USB Type-C PD 应用的所需电压电平。

6.结论

对于本系列中展示的每项技术，重要的是要记住，如果电压电平之间的切换太快，则可能会出现错误的 OVP 事件。所以请确保过渡时间足够满足应用程序，不会触发错误的 OVP 事件。